Feinstaub                                   Dez.2024  

Atmosphärische Aerosole: Zusammensetzung, Klima- und Gesundheitseffekte

Von Dr. Ulrich Pöschl, 21.Nov.2005

Aerosole sind von zentraler Bedeutung für Chemie und Physik der Atmosphäre sowie für Biosphäre, Klima und Gesundheit. Die luftgetragenen festen und flüssigen Partikel mit Größen im Nanometer‐ und Mikrometerbereich beeinflussen die Energiebilanz der Erde, den Wasserkreislauf und die atmosphärische Zirkulation, aber auch das Vorkommen von Treibhausgasen und reaktiven Spurengasen. Zudem spielen sie wichtige Rollen bei der Fortpflanzung biologischer Organismen und können Erkrankungen auslösen oder verstärken. Die grundlegenden Parameter, die die Umwelt‐ und Gesundheitseffekte von Aerosolpartikeln bestimmen, sind ihre Konzentration, Größe, Struktur und chemische Zusammensetzung. Diese Parameter sind jedoch örtlich und zeitlich hoch variabel. Insbesondere für biologische Partikel und kohlenstoffhaltige Feinstaubkomponenten ist nicht nur die Quantifizierung, sondern auch die Identifizierung eine anspruchsvolle analytische Aufgabe. Dieser Aufsatz umreißt den aktuellen Wissensstand und diskutiert offene Fragen und Forschungsperspektiven zu den Eigenschaften und Wechselwirkungen atmosphärischer Aerosole sowie zu ihren Auswirkungen auf das Klima und die menschlice Gesundheit.

Max Planck Institut 30.06.2018 

Wie die Weltgesundheitsorganisation (WHO) meldete, starben 2015 rund eine Million Kleinkinder unter fünf Jahren an Infektionen der unteren Atemwege. Feinstaub mit Partikeln kleiner als 2,5 Mikrometern (PM2,5) spielt dabei eine entscheidende Rolle. Die Partikel dringen tief in die Atemwege ein, wo sie bei Kindern vor allem Entzündungen verursachen können. Bei Erwachsenen kommen ischämische Herzerkrankungen (Herzattacken), zerebrovaskuläre Erkrankungen (Hirnschläge) und Lungenkrebs dazu. Die Konzentration von Feinstaub, denen Menschen auf der Welt im Schnitt ausgesetzt sind, ist zwischen den Jahren 2000 und 2015 von etwa 40 auf 44 Mikrogramm pro Kubikmeter Luft gestiegen. Das liegt mehr als das Vierfache über der Konzentration von 10 Mikrogramm, die von der WHO als Grenzwert empfohlen wird. Zudem trägt das Reizgas Ozon zu gesundheitlichen Auswirkungen der Atemwege bei. Die Herkunft des Feinstaubs ist von Land zu Land unterschiedlich: So überwiegt in Indien die Verbrennung von feste Brennstoffe zum Kochen und Heizen, während in den USA Kraftwerke, Verkehr und Landwirtschaft als größte Quellen gelten. Auch wenn verschmutzte Innenraumluft ebenfalls ein großes Gesundheitsrisiko darstellen kann, geht es in einer neuen Studie, die am 29. Juni 2018 in der Zeitschrift The Lancet Planetary Health veröffentlicht wird, um die Umgebungsluft.

Die jeweilige Belastung durch Feinstaub und Ozon haben die Autoren Jos Lelieveld, Andy Haines und Andrea Pozzer mit einem etablierten globalen Atmosphärenchemiemodell ermittelt. Diese Werte verknüpften sie mit Daten über die Bevölkerungsstrukturen sowie Krankheiten und Todesursachen in den einzelnen Ländern. So kamen sie für das Jahr 2015 auf weltweit 270.000 vorzeitige Todesfälle durch Ozon und 4,28 Millionen Opfer von Feinstaub. Mit insgesamt mehr als 4,5 Millionen führt das Team um Jos Lelieveld jetzt noch einmal deutlich mehr vorzeitige Tode auf Feinstaub und Ozon zurück als in einer ähnlichen Studie aus dem Jahr 2015. Damals bezifferten die Forscher die frühzeitigen Sterbefälle durch Luftverschmutzung auf 3,3 Millionen. Dass sie nun zu einem noch alarmierenderen Resultat gelangen, begründen sie mit genaueren Daten epidemiologischer Studien, die ihnen nun zur Verfügung standen. Die Krankheiten, die letztlich zum Tod führten, waren bei 727.000 Menschen Entzündungen der tiefen Atemwege, bei 1,09 Millionen chronische Lungenerkrankungen, bei 920.000 zerebrovaskuläre Erkrankungen, bei 1,5 Millionen Herzerkrankungen und bei 304.000 Lungenkrebs. Durch frühzeitigen Tod gingen der Menschheit in 2015 nach diesen Berechnungen 122 Millionen Lebensjahre verloren. „Die ermittelten Zahlen sind vorsichtig geschätzt, weil wir weitere Krankheiten, die ebenfalls mit der Luftverschmutzung im Zusammenhang stehen könnten, nicht berücksichtigt haben“, sagt Jos Lelieveld, Direktor am Max-Planck-Institut für Chemie in Mainz.

27.Okt.2017 Weniger Dünger reduziert die Feinstaubbelastung 

Die Senkung landwirtschaftlicher Ammoniakemissionen kann die Sterblichkeit durch Luftverschmutzung erheblich reduzieren.

Für Feinstaub gibt es viele Quellen – nicht nur den Verkehr, der dafür derzeit besonders viel Aufmerksamkeit erfährt. Auch eine Reduktion landwirtschaftlicher Emissionen könnte die Menge an gesundheitsschädlichem Feinstaub erheblich senken, wie eine Studie von Forschern des Max-Planck-Instituts für Chemie in Mainz zeigt. Die Wissenschaftler berechneten, dass speziell in Europa und Nordamerika durch die Verringerung von Ammoniakemissionen (NH3) aus Düngung und Viehzucht die Konzentration an Feinstaubpartikeln in der Atmosphäre stark abnehmen würde. Wären die landwirtschaftlichen Emissionen um 50 % niedriger, könnten demnach pro Jahr weiltweit 250.000 Todesfälle, die auf Luftverschmutzung zurückzuführen sind, vermieden werden. Die Ergebnisse wurden in Athmospheric Chemistry and Physics, einer Zeitschrift der European Geosciences Union, veröffentlicht. Feinstaubpartikel mit einem Durchmesser von weniger als 2,5 Mikrometern (PM2,5) sind lt. der Weltgesundheitsorganisation besonders gesundheitsschädlich, weil die Partikel tief in die Lunge eindringen und Herz-Kreislauf- und Atemwegserkrankungen verursachen können. Lt. der Studie „Global Burden of Disease“ liegt Luftverschmutzung weltweit auf Platz fünf der Risikofaktoren für Todesursachen. Die Studie, an der mehr als 1800 Wissenschaftler beteiligt sind, quantifiziert Todesfälle nach Krankheit, Unfällen und Risikofaktoren. „Öffentlich wird derzeit vor allem die durch den Kfz-Verkehr entstehenden Feinstaub diskutiert, andere Quellen wie die Landwirtschaft werden dabei vernachlässigt“, sagt Jos Lelieveld, Direktor der Abteilung Atmosphärenchemie am Mainzer Institut. Zwar können Feinstaubemissionen von motorisierten Fahrzeugen entscheidend zur lokalen Luftbelastung in Ballungszentren beitragen, der meiste Feinstaub (PM2,5) entsteht aber erst durch chemische Prozesse in der Atmosphäre während des Windtransports. „Daher könnte die Konzentration der Feinstaubteilchen in der Atmosphäre deutlich sinken, wenn Ammoniakemissionen in der Landwirtschaft vermieden würden“, so Leliveld, dessen Forschungsteam dies mit aktuellen Berechnungen belegt.

Ammoniak reagiert zu Salzen, aus denen Feinstaub entsteht.

Als wichtigste Ursache für die Luftbelastung, speziell in weiten Teilen Europas, haben die Wissenschaftler die Freisetzung von Ammoniak aus Viehzucht und Düngung identifiziert. Zwar ist der im Ammonium enthaltene Stickstoff ein wichtiger Nährstoff für Pflanzen. Ammoniak entweicht durch die Zersetzung von Gülle und durch die Düngung von Nutzpflanzen in die Atmosphäre und reagiert dort mit anderen anorganischen Stoffen, wie Schwefel- und Salpetersäure zu Ammoniumsulfat und Nitratsalzen. Hieraus wiederum entstehen Feinstaubpartikel.

50 Prozent weniger NH3 würde weltweit jährlich 250.000 Todesfälle verhindern

Bei ihrer aktuellen Studie konzentrierten sich die Wissenschaftler auf vier Regionen, in denen die Grenzwerte der Luftverschmutzung häufig überschritten werden: Nordamerika, Europa, Süd- und Ostasien. Ihre Berechnungen zeigten, dass eine Reduzierung aller landwirtschaftlichen Emissionen um 50 Prozent weltweit eine Abnahme von rund acht Prozent der durch Luftverschmutzung verursachten vorzeitigen Sterbefälle bewirken würde. Das entspricht einer Zahl von 250.000 Menschen pro Jahr. Ein kompletter Stopp sämtlicher Ammoniakemissionen könnte theoretisch weltweit sogar 800.000 Menschen vor dem Tod durch Krankheiten bewahren, die durch Luftverschmutzung ausgelöst werden.

„Der Effekt der Ammoniakreduktion auf die Feinstaubbildung verläuft nicht linear. Eine effiziente Luftverbesserung setzt erst ab einem bestimmten Reduktionswert ein. Ab diesem Punkt ist die Wirkung dann aber exponentiell“, erläutert Andrea Pozzer, Gruppenleiter am Max-Planck-Institut für Chemie und Hauptautor der Studie. Eine Verringerung der Ammoniakemissionen von über 50 Prozent wäre deshalb, so Pozzer, weiter sehr effektiv und wünschenswert.

Von weniger Ammoniakemissionen würde Europa besonders profitieren

Die Mortalitätsraten ermittelten die Wissenschaftler in zwei Schritten: Zunächst errechneten sie mithilfe eines Modells der Atmosphärenchemie, wie viel weniger Feinstaub bei geringeren Ammoniakkonzentrationen entstehen würde. Demnach hätte eine weltweite Halbierung der Emissionen in Europa 11 Prozent, in den USA 19 Prozent und in China 34 Prozent weniger Feinstaub der Größe PM2,5 zur Folge. In Deutschland lag die durchschnittliche Belastung mit Feinstaub dieser Größe im Jahr 2015 bei rund 14 Mikrogramm pro Kubikmeter Luft, würde im 50 Prozent Minderungsszenario der Mainzer Forscher also etwa auf 12,5 Mikrogramm pro Kubikmeter sinken.

Anhand eines weiteren Modells, das beschreibt, welche gesundheitlichen Effekte bei welcher Feinstaubexposition auftreten, berechneten die Forscher dann den Einfluss auf die Sterberate durch Lungenkrebs, Herz-Kreislauf- und Atemwegskrankheiten. Besonders Europa würde von einer Minderung der Ammoniakemissionen und der dadurch geringeren Feinstaubmengen profitieren: So würde eine europaweite NH3-Reduktion um 50 Prozent die PM2,5 die Sterblichkeitsrate um fast 20 Prozent verringern, sodass etwa 50.000 Todesfälle pro Jahr vermieden werden könnten. In den USA hätte eine Ammoniakreduzierung in dieser Größenordnung eine Abnahme der luftverschmutzungsbedingten Sterblichkeitsrate um 30 Prozent zur Folge, berechneten Andrea Pozzer und seine Kollegen. Dagegen ergaben die Computermodelle geringere Verbesserungen für Ostasien mit acht Prozent und nur drei Prozent für Südasien.

Aufgrund der Ergebnisse schlussfolgert Jos Lelieveld: „Emissionsregelungen sollten insbesondere in Nordamerika und Europa striktere Grenzwerte für Ammoniak festlegen, um die Feinstaubkonzentrationen effektiv zu reduzieren.“ Maßnahmen zur Reduktion von Schwefeldioxid (SO2) und Stickoxiden (NOx), seien für die Luftreinhaltung zwar entscheidend wichtig, sollten aber durch die Minderung von Ammonium aus der Landwirtschaft, die sich auch relativ einfach umsetzen lässt, ergänzt werden. (AR/SB/PH)